(57)【要約】【課題】安価で非常に高品位なインクジェットヘッドを実現すること。【解決手段】振動板上に順次に下電極、圧電性を有する膜及び上電極をそれぞれ形成し、且つ、前記振動板と前記圧電性を有する膜の間に前記圧電性を有する膜よりも熱膨張係数の大きな膜を形成するとともに、（前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）−（前記振動板の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）≧（前記圧電性を有する膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）を満たすように各々を形成し、且つ、前記圧電性を有する膜をスパッタリング法を用いて（ターゲットから叩き出される各金属原子の平均自由工程）≧（ターゲット−基板間距離）を満たすように成膜を行う。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板上に順次に下電極、圧電性を有する膜及び上電極をそれぞれ形成し、且つ、前記振動板と前記圧電性を有する膜の間に前記圧電性を有する膜よりも熱膨張係数の大きな膜を形成するとともに、（前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）−（前記振動板の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）≧（前記圧電性を有する膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）を満たすように各々を形成し、且つ、前記圧電性を有する膜をスパッタリング法を用いて（ターゲットから叩き出される各金属原子の平均自由工程）≧（ターゲット−基板間距離）を満たすように成膜を行うことを特徴とするユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項２】
前記成膜を不活性ガスのみで行うことを特徴とする請求項１記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項３】
前記不活性ガスがＡｒガスであることを特徴とする請求項２記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項４】
前記不活性ガスの分圧が０．５Ｐａ以下であることを特徴とする請求項２又は３記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項５】
前記（ターゲット−基板間距離）が１５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項６】
前記成膜終了後に後焼成によって酸化物薄膜を結晶化することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項７】
前記後焼成を７００℃を超える温度で行うことを特徴とする請求項６記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項８】
前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜として、ＭｇＯ、ＺｒＯ２ 又はＣｕを用いることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項９】
前記圧電性を有する膜として、少なくともＰｂを含むペロブスカイト構造酸化物である膜を用いることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項１０】
前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜を真空成膜によって形成することを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項１１】
前記振動板の厚みを１０μｍ以下にすることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項１２】
前記振動板を、加工の施されたＳｉ基板上に形成することを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項１３】
前記振動板を、Ｓｉ基板の酸化若しくは窒化によって作製することを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項１４】
前記振動板が結晶化ガラスであることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項１５】
前記振動板が陽極接合時可動イオンとして作用する不純物イオンを有し、且つ、前記Ｓｉ基板と前記振動板を陽極接合にて接合することを特徴とする請求項１〜１２又は１４の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項１６】
前記振動板の熱膨張係数は、室温から前記圧電性を有する膜の熱処理温度までの範囲において前記Ｓｉ基板の５０％以内であることを特徴とする請求項１〜１２又は１４の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子の作製方法。
【請求項１７】
振動板上に接着剤を介さないで順次に下電極、圧電性を有する膜及び上電極がそれぞれ設けられ、且つ、前記圧電性を有する膜の分極軸方向が前記圧電性を有する膜面の垂直方向に優先配向していることを特徴とするユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項１８】
前記振動板と前記圧電性を有する膜の間に前記圧電性を有する膜よりも熱膨張係数の大きな膜が設けられ、且つ、（前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）−（前記振動板の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）≧（前記圧電性を有する膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）の関係が満たされていることを特徴とする請求項１７記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項１９】
前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜がＭｇＯ、ＺｒＯ２ 又はＣｕであることを特徴とする請求項１８記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２０】
前記圧電性を有する膜が少なくともＰｂを含むペロブスカイト構造酸化物であることを特徴とする請求項１７〜１９の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２１】
前記圧電性を有する膜が多結晶膜であることを特徴とする請求項１７〜２０の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２２】
前記圧電膜素子が加工の施されたＳｉ基板上に形成されていることを特徴とする請求項１７〜２１の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２３】
前記振動板が１０μｍ以下の厚さであることを特徴とする請求項１７〜２２の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２４】
前記振動板がＳｉＯ２ 若しくはＳｉＮであることを特徴とする請求項１７〜２３の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２５】
前記振動板が結晶化ガラスであることを特徴とする請求項１７〜２３の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２６】
前記振動板の熱膨張係数は、室温から前記圧電性を有する膜の熱処理温度までの範囲において前記Ｓｉ基板の５０％以内であることを特徴とする請求項１７〜２３又は２５の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２７】
前記振動板は不純物イオンを有し、且つ、前記不純物イオンが陽極接合時可動イオンとして作用し、陽極接合が容易な材料であることを特徴とする請求項１７〜２３，２５又は２６の何れかに記載のユニモルフ型圧電膜素子。
【請求項２８】
ノズル、圧力室、流路及びインク室となる溝が形成されているＳｉ基板を用い、且つ、前記Ｓｉ基板上に請求項１７〜２７の何れかに記載の圧電膜素子が形成されていることを特徴とするユニモルフ型インクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプ、液滴噴射装置等のデバイスに用いられる、圧電性を有する膜と振動板を用いたユニモルフ型圧電膜素子の構造と、これを駆動源とするインクジェットヘッド及びユニモルフ型圧電膜素子の作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、機能性薄膜を使ったデバイス研究が盛んである。機能性材料を薄膜化しデバイスに応用することによって、優れた機能の実現が期待されている。
【０００３】
例えば、強誘電体の圧電性、焦電性、分極反転等の物性を用いた圧電体素子やセンサー、不揮発メモリー等のデバイス研究が盛んであるが、中でも圧電体素子を用いてインクを吐出させるインクジェット方式は高速高密度で高精細高画質の記録が可能で、且つ、カラー化・コンパクト化にも適しており、プリンターはもとより、複写機、ファクシミリ等にも適用され、近年、急速な発展を成し遂げた。このような記録技術分野においては、将来における更なる高品位・高精細な記録技術への要望が高まってきている。実現のための１つの方法として、圧電性を有する膜を利用した圧電膜素子が挙げられ、次世代高品位・高精細記録技術への応用が期待されている。
【０００４】
圧電性を有する膜の作製に当たっては様々な方法が挙げられるが、例えば特許文献１等にＲＦスパッタリングを用いた結晶性の向上したＰＺＴ膜の成膜方法が記載されている。又、特許文献２等にゾルゲル法の前駆体分解温度制御により、（１００）面に配向したＰＺＴを形成する方法が記載されている。
【０００５】
圧電性を有する膜を利用した圧電膜素子には様々な方式が挙げられるが、中でも圧電性を有する膜とはヤング率の異なる振動板と圧電性を有する膜を積層したユニモルフ型圧電膜素子は非常に簡易で優れた圧電膜素子であり、様々なデバイスへの応用が考えられる。特に、インクジェットヘッドへの適応が容易であることから様々な提案がなされている。
【０００６】
圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電膜素子を駆動源とするインクジェットヘッドの一例として、予め流路を形成したＳｉ基板上に陽極接合したガラス基板上に圧電性を有する膜を転写した構成が挙げられる。ガラス基板は振動板として優れているとともに熱膨張係数がＳｉと近く、流路を形成したＳｉ基板上に陽極接合してユニモルフ型圧電素子を形成するのに適している。インクジェット作製時におけるガラス基板とＳｉ基板の陽極接合の例としては、特許文献３〜５等に代表的な方法が記載されている。
【０００７】
又、圧電性を有する膜を、転写プロセスを用いないで、直接振動板上に形成する方法が幾つか提案されている。圧電性を有する膜は一般に複合酸化物であるため、結晶化には高い温度が必要となる。結晶化するためには、基板を非加熱で成膜を行い、成膜後にアニールする方法や基板を加熱し結晶化しながら成膜を行う方法があるが、結晶化するために高温を要するため、圧電性を有する膜が形成される基板は高温に耐え得る材料が必要となる。
【０００８】
高温に耐え得る材料としては、代表的なものとしてＭｇＯやＳｒＴｉＯ３ 等の高価な単結晶基板が挙げられるが、振動板上に接着した後に単結晶基板のみを熱燐酸等で溶解して除去して転写しなければならないため、コストのみならずスループット上も非常に不利で量産化の大きな障壁になる。このような問題点を解決するために、耐熱性の振動板材料に圧電性を有する膜を転写プロセスを用いることなく、直接成膜する方法が有効である。耐熱性の振動板材料に圧電性を有する膜を直接成膜する方法に関しては、特許文献６にＳｉ基板の表面を熱酸化してＳｉＯ２ 層として振動板とする方法が記載されている。
【０００９】
又、本発明者等も、歪み点の高い耐熱性のガラスを振動板として予め流路を形成したＳｉ基板に陽極接合を行い、振動板を研磨薄片化し、その上に電極を介して直接圧電性を有する膜を歪み点以下の温度で成膜又は常温で成膜後に歪み点以下でアニールすることにより、圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電素子を駆動源とするインクジェットヘッドを簡易に作製する方法を提案している。
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２９０９８３号公報
【特許文献２】特開平１１−２２０１８５号公報
【特許文献３】特開平０１−２６６３７６号公報
【特許文献４】特開平０４−１３２８８７号公報
【特許文献５】特開平１１−１９２７１２号公報
【特許文献６】特開２０００−５２５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、圧電性を有する膜を、転写プロセスを用いないで振動板上に形成する手法の場合、以下のような大きな問題点が挙げられる。
【００１２】
即ち、特許文献６においては、Ｓｉ上にＳｉＯ２ 層が形成され、その上に圧電性を有するＰＺＴ膜が直接成膜されて結晶化された後、Ｓｉ基板がＰＺＴ膜面とは反対の面からエッチングにより裏抜きされて流路が形成される。このような方法の場合、圧電性を有するＰＺＴ膜は高温で結晶化して室温まで冷却される際に、成膜基板であるＳｉ基板や振動板となるＳｉＯ２ 層の熱膨張係数に大きく影響を受けて格子定数が変化し、ＰＺＴの圧電性が大きく劣化する。この現象の理由は完全には解明できていないが、以下のように考えられる。
【００１３】
ＰＺＴの熱膨張係数は組成によって異なるが、最も圧電性の高いＭＰＢ組成（Ｚｒ：Ｔｉ＝０．５３：０．４７）近傍では９×１０−６（／℃）程度である。一方、Ｓｉ基板の熱膨張係数は３×１０−６（／℃）、更に振動板となるＳｉＯ２ 層は０．２×１０−６（／℃）であり、ＰＺＴに比べて可成り小さい。このため、圧電性を有するＰＺＴ膜が結晶化し、キュリー点を経て室温まで冷却される際に、ＰＺＴ膜が大きく収縮しようとするのに対してＳｉ基板やＳｉＯ２ 振動板の収縮は小さいため、ＰＺＴ膜は引っ張り方向の力を受けることになる。この力を緩和するため、正方晶であるＰＺＴの結晶の方位は、結晶軸の長いＣ軸が引っ張りの力を受けるＳｉ基板の面内方向に向くものが多くなる。正方晶であるＰＺＴの分極軸はＣ軸方向であるから、電界の掛かる基板面上下方向に対して分極方向が垂直に向いた結晶＝９０°ドメインが多くなるということであり、即ち圧電性の大きな劣化を引き起こすと考えられる。
【００１４】
又、特開２０００−１４１６４４号公報等にＳｉＯ２ を設けたＳｉ基板上に圧電性を有するＰＺＴ膜を形成する構成の中でＰＺＴ膜に引っ張り応力を加える膜を設ける内容が記載されている。この発明の目的はＰＺＴの熱膨張係数が振動板となるＳｉＯ２ より大きいため、圧電性を有するＰＺＴ膜と反対側からインク流路を形成すると数ミクロンと薄くなったＳｉＯ２ 振動板がＰＺＴ膜の熱膨張差によって圧縮方向の力を受けてインク流路側に変形してしまうのを防ぐ目的のものである。しかし、この発明の方法では前記の引っ張り応力によって発生する圧電性を有するＰＺＴ膜の圧電性に寄与しない結晶方位＝９０°ドメインが逆に増えてしまう方向にあり、圧電性の劣化を防ぐことはできない。
【００１５】
又、特開平０７−２４６７０５号公報には、Ｓｉ基板上にスパッタされた振動板となるＳｉＮ上に鉛拡散防止を目的としたジルコニア膜を介してＰＺＴ膜を直接成膜する方法が記載されている。ジルコニア膜は熱膨張係数がＰＺＴより大きいため、目的は異なるが、このような膜を振動板と圧電性を有する膜の間に設けることは圧電性を有する膜の引っ張り応力を軽減するのに有効である。
【００１６】
しかし、応力はヤング率と歪み量の積であり、応力は単位面積当たりの力である。従って、熱履歴によって発生する力はその材料の熱膨張係数と断面積とヤング率の積に比例する。断面積のうち膜同士で接している長さは同じであるから、問題となるのは膜厚である。即ち、（熱膨張係数がＰＺＴより大きい膜の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）−（振動板の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）≧（圧電性を有するＰＺＴ膜の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）の関係を満たさないと、圧電性を有するＰＺＴ膜への引っ張り応力を完全に無くすことはできない。
【００１７】
本発明は上記問題点を解決し、更にはより優れた圧電素子を実現する方法を提供するものである。即ち、圧電性を有する膜への引っ張り応力を完全に無くし、更に好ましくは圧縮方向の応力にし、更に圧電性を有する膜を特定方向に配向する条件で成膜することによって、振動板上への圧電性を有する膜を、転写プロセスを用いない直接成膜においても、圧電性を最も効果的に発現させる分極軸方向が膜面に対して垂直方向になるように優先配向させ、安価で非常に高品位なインクジェットヘッドを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、振動板上に順次に下電極、圧電性を有する膜及び上電極をそれぞれ形成し、且つ、前記振動板と前記圧電性を有する膜の間に前記圧電性を有する膜よりも熱膨張係数の大きな膜を形成するとともに、（前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）−（前記振動板の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）≧（前記圧電性を有する膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）を満たすように各々を形成し、且つ、前記圧電性を有する膜をスパッタリング法を用いて（ターゲットから叩き出される各金属原子の平均自由工程）≧（ターゲット−基板間距離）を満たすように成膜を行うことを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記成膜を不活性ガスのみで行うことを特徴とする。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記不活性ガスがＡｒガスであることを特徴とする。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、前記不活性ガスの分圧が０．５Ｐａ以下であることを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記（ターゲット−基板間距離）が１５０ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００２３】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５の何れかに記載の発明において、前記成膜終了後に後焼成によって酸化物薄膜を結晶化することを特徴とする。
【００２４】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記後焼成を７００℃を超える温度で行うことを特徴とする。
【００２５】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７の何れかに記載の発明において、前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜として、ＭｇＯ、ＺｒＯ２ 又はＣｕを用いることを特徴とする。
【００２６】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８の何れかに記載の発明において、前記圧電性を有する膜として、少なくともＰｂを含むペロブスカイト構造酸化物である膜を用いることを特徴とする。
【００２７】
請求項１０記載の発明は、請求項１〜９の何れかに記載の発明において、前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜を真空成膜によって形成することを特徴とする。
【００２８】
請求項１１記載の発明は、請求項１〜１０の何れかに記載の発明において、前記振動板の厚みを１０μｍ以下にすることを特徴とする。
【００２９】
請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１の何れかに記載の発明において、前記振動板を、加工の施されたＳｉ基板上に形成することを特徴とする。
【００３０】
請求項１３記載の発明は、請求項１〜１２の何れかに記載の発明において、前記振動板を、Ｓｉ基板の酸化若しくは窒化によって作製することを特徴とする。
【００３１】
請求項１４記載の発明は、請求項１〜１２の何れかに記載の発明において、前記振動板が結晶化ガラスであることを特徴とする。
【００３２】
請求項１５記載の発明は、請求項１〜１２又は１４の何れかに記載の発明において、前記振動板が陽極接合時可動イオンとして作用する不純物イオンを有し、且つ、前記Ｓｉ基板と前記振動板を陽極接合にて接合することを特徴とする。
【００３３】
請求項１６記載の発明は、請求項１〜１２又は１４の何れかに記載の発明において、前記振動板の熱膨張係数は、室温から前記圧電性を有する膜の熱処理温度までの範囲において前記Ｓｉ基板の５０％以内であることを特徴とする。
【００３４】
請求項１７記載のユニモルフ型圧電膜素子は、振動板上に接着剤を介さないで順次に下電極、圧電性を有する膜及び上電極がそれぞれ設けられ、且つ、前記圧電性を有する膜の分極軸方向が前記圧電性を有する膜面の垂直方向に優先配向していることを特徴とする。
【００３５】
請求項１８記載の発明は、請求項１７記載の発明において、前記振動板と前記圧電性を有する膜の間に前記圧電性を有する膜よりも熱膨張係数の大きな膜が設けられ、且つ、（前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）−（前記振動板の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）≧（前記圧電性を有する膜の熱膨張係数×厚さ×ヤング率）の関係が満たされていることを特徴とする。
【００３６】
請求項１９記載の発明は、請求項１８記載の発明において、前記圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜がＭｇＯ、ＺｒＯ２ 又はＣｕであることを特徴とする。
【００３７】
請求項２０記載の発明は、請求項１７〜１９の何れかに記載の発明において、前記圧電性を有する膜が少なくともＰｂを含むペロブスカイト構造酸化物であることを特徴とする。
【００３８】
請求項２１記載の発明は、請求項１７〜２０の何れかに記載の発明において、前記圧電性を有する膜が多結晶膜であることを特徴とする。
【００３９】
請求項２２記載の発明は、請求項１７〜２１の何れかに記載の発明において、前記圧電膜素子が加工の施されたＳｉ基板上に形成されていることを特徴とする。
【００４０】
請求項２３記載の発明は、請求項１７〜２２の何れかに記載の発明において、前記振動板が１０μｍ以下の厚さであることを特徴とする。
【００４１】
請求項２４記載の発明は、請求項１７〜２３の何れかに記載の発明において、前記振動板がＳｉＯ２ 若しくはＳｉＮであることを特徴とする。
【００４２】
請求項２５記載の発明は、請求項１７〜２３の何れかに記載の発明において、前記振動板が結晶化ガラスであることを特徴とする。
【００４３】
請求項２６記載の発明は、請求項１７〜２３又は２５の何れかに記載の発明において、前記振動板の熱膨張係数は、室温から前記圧電性を有する膜の熱処理温度までの範囲において前記Ｓｉ基板の５０％以内であることを特徴とする。
【００４４】
請求項２７記載の発明は、請求項１７〜２３，２５又は２６の何れかに記載の発明において、前記振動板は不純物イオンを有し、且つ、前記不純物イオンが陽極接合時可動イオンとして作用し、陽極接合が容易な材料であることを特徴とする。
【００４５】
請求項２８記載のユニモルフ型インクジェットヘッドは、ノズル、圧力室、流路及びインク室となる溝が形成されているＳｉ基板を用い、且つ、前記Ｓｉ基板上に請求項１７〜２７の何れかに記載の圧電膜素子が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４６】
流路を形成する基板にＳｉを用いる場合、振動板はＳｉに近い熱膨張係数のものを用いないと熱履歴により剥離する確率が大きくなる。Ｓｉ基板は、熱膨張係数が３×１０−６（／℃）程度と可成り小さい部類に入り、振動板も熱膨張係数の比較的小さなものを選択する必要性がある。又、接合を用いないでＳｉを酸化することによってＳｉＯ２ を作製し、裏抜きして振動板として用いることも可能であるが、ＳｉＯ２ もその熱膨張係数は０．２×１０−６（／℃）程度と非常に小さく、熱膨張係数の小さな振動板を用いることに変わりはない。
【００４７】
しかし、圧電性を有する膜は熱膨張係数の大きなものが多く、特に代表的なＰＺＴは最も圧電性の高いＭＰＢ組成において９×１０−６（／℃）程度とかなり大きい。従って、熱膨張係数の大きな圧電性を有する膜を熱膨張係数の小さな振動板に成膜することになり、圧電性を有する膜を結晶化して冷却する際に圧電性を有する膜に引っ張り応力を加えることになる。
【００４８】
一例として図１に十分に厚いＭｇＯ基板上にＰＺＴを無配向になる条件で成膜し焼成・結晶化させたときのＸ線回折パターンを、図２に十分に厚い基板上にＰＺＴを上記と同じ無配向になる条件で成膜・焼成したときの熱膨張係数とＸ線回折で得られたＰＺＴ（１１２）（２１１）混合ピークの面間隔の関係を示す。
【００４９】
図１に示すようにＰＺＴは無配向であり、ＰＺＴ（２１１）は正確にはＰＺＴ（１１２）（２１１）混合ピークである。このＰＺＴ（１１２）（２１１）混合ピークに着目すると、図２のように熱膨張係数の小さなＳｉ基板上では面間隔が小さくなり引っ張りに、ＰＺＴより熱膨張係数の大きなＭｇＯ上では面間隔が大きくなり圧縮になっている様子が分かる。
【００５０】
図３に圧電性劣化の原因のモデルを示す。Ｓｉのように熱膨張係数の小さな基板上に成膜された場合、結晶化温度からキュリー点を超えて室温まで冷却される際に引っ張りの応力が結晶の相転移時に掛かり、ＰＺＴのような正方晶においては分極軸であるＣ軸方向が引っ張り応力の加わる電界と垂直な面内を向く所謂９０°ドメインが多くなる。即ち、例を挙げれば、正方晶である結晶化温度で（１００）（０１０）（００１）等価面であったものは、キュリー点を通過して正方晶に転移する際に面内引張りにより（１００）を向くものが多くなり、結晶化温度で（１１０）（１０１）（０１１）等価面であったものは、（１１０）を向くものが多くなるので、電界に対し分極軸が垂直に向いているものが多くなり、圧電性が大きく劣化すると考えられる。
【００５１】
図４に熱膨張係数の大きなＭｇＯ上にＰＺＴを成膜した場合の電気的特性を、図５に熱膨張係数の小さなＳｉ基板上にＰＺＴを成膜した時の電気的特性を示す。電界と電束密度の関係（Ｐ−Ｅカーブ）においてＭｇＯ上では角型比が高く、飽和電束密度が高い良好なヒステリシスを描き圧電性も高いが、Ｓｉ基板上では角型比が落ち、飽和電束密度も低くヒステリシスが劣化し、圧電性も低くなる。
【００５２】
本発明者は鋭意研究を重ね、先願した発明において、ユニモルフ型圧電膜素子の１０μｍ以下の十分に薄い振動板と圧電性を有する膜の間に、圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜を、（圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）−（振動板の熱膨張係数×ヤング率と×厚さ）≧（圧電性を有する膜の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）の関係を満たすように設けることによって、圧電性を有する膜に圧縮方向の応力を加え、９０°ドメインの増加を抑制することに成功した。
【００５３】
又、本発明者は、先願した発明において、スパッタリング成膜において圧電性を有する膜を（ターゲットから叩き出される各金属原子の平均自由工程）≧（ターゲット−基板間距離）を満たすように成膜を行うことにより、圧電性を有する膜を特定方向に優先配向（５０％程度以上配向している状態）させることに成功した。この発明は以下のように説明される。
【００５４】
即ち、導入されたスパッタガス粒子がイオン化されてターゲットに衝突し、ターゲット中の原子が叩き出され、この叩き出された原子がスパッタガス中を飛行して基板に到達することによって成膜が行われる。通常はターゲット中から叩き出された原子は飛行中に導入されたスパッタガスの粒子に何度もぶつかり、そのエネルギーを失いながら基板に到達する。
【００５５】
ここで、或る粒子がその粒子しか存在しない空間内を衝突せずに飛行できる平均距離である平均自由工程Ｌは以下の式で表される。
【００５６】
【数１】
2005129670.tif 000003
・粒子直径：Ｄ
・粒子密度：ｎ
ここで、空間内の粒子の圧力Ｐは以下の式であらわされる。
【００５７】
・Ｐ＝ｎｋＴ
・ボルツマン定数：ｋ
・粒子の絶対温度：Ｔ
但し、粒子の絶対温度はスパッタリング中のプラズマ中の粒子温度であるので数百〜千数百Ｋであり、本発明においては１０００Ｋと仮定している。
【００５８】
圧力Ｐの式から、平均自由工程Ｌは以下の式に書き換えられる。
【００５９】
【数２】
2005129670.tif 000004
更に、この式を拡張して、スパッタガス粒子Ａが飛び交う中に微量の被スパッタ粒子Ｂが飛行する場合、被スパッタ粒子Ｂの平均自由工程ＬＢ は、被スパッタ粒子Ｂはスパッタガス粒子Ａのみと衝突すると仮定して以下のように表される。
【００６０】
【数３】
2005129670.tif 000005
・ＰＡ
：粒子Ａの圧力
・ＤＡ
：粒子Ａの直径
・ＤＢ
：粒子Ｂの直径
・ｍＡ
：粒子Ａの重量
・ｍＢ
：粒子Ｂの重量
本発明者は、酸化物薄膜の成膜時に、スパッタリング中にターゲットから叩き出された原子のエネルギーに注目し、他の原子・分子と衝突せずにエネルギーを失わないで基板に到達する原子が多くなる場合の酸化物薄膜の配向性について検討を行った。
【００６１】
ここで、スパッタガス粒子Ａが飛び交う中を飛行して基板に直接到達する被スパッタ粒子Ｂの割合は以下の式で表される。
【００６２】
【数４】
2005129670.tif 000006
・ＮＢ
＝基板まで衝突しないで到達する粒子Ｂの個数
・Ｎ０
＝出発点（ターゲット）からスパッタされた粒子Ｂの個数
・Ｘ＝粒子Ｂが飛行する出発点（ターゲット）からの基板までの距離
本発明者はこの検討において、他の原子・分子と衝突せずにエネルギーを失わないで基板に到達する原子が多くなる程酸化物薄膜の特定の方位面に優先的に配向する傾向が強まり、
直接基板に到達する原子が４０％程度以上に達する、叩き出される原子の平均自由工程がターゲット基板間距離以上になる（ＬＢ ≧Ｘ）条件で成膜された膜は、後焼成においても或る特定温度以上の焼成でほぼ完全に特定方位面に優先配向する実験事実を見出した。この条件で作製された膜は基板を選ばず、
電極を形成した様々な基板上で特定方向に優先配向することも明らかになった。
【００６３】
本発明者は、更に鋭意研究を重ね、振動板上に熱膨張係数の大きな膜を介して直接圧電性を有する膜を、（ターゲットから叩き出される各金属原子の平均自由工程）≧（ターゲット−基板間距離）を満たすように成膜することによって、圧電性を有する膜の優先配向する特定方向を、圧電性を発現させるのに最も効果的な、圧電性を有する膜の分極方向を膜面に垂直方向にコントロールできることを見出した。即ち、圧電性を有する膜を、圧電性を発現させるのに最も効果的な圧電性を有する膜の分極方向に優先配向させることが、接着剤を用いない振動板上への直接成膜で可能になった。このように優れたユニモルフ型圧電膜素子を形成することが可能になり、この手法を用いて作製したユニモルフ型圧電膜素子を駆動源として優れたインクジェットヘッドを実現することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下、本発明を詳細に説明する。本実施例においては特定の圧電性を有する膜を用い、 ユニモルフ型圧電膜素子及びこれを用いたインクジェットヘッドの作製を行った例を示す。
【００６５】
本発明における振動板には様々な材料を用いることができるが、Ｓｉを酸化若しくは窒化して得られるＳｉＯ２ やＳｉＮも基台として用いられるＳｉとの剥がれが発生しにくく、又、振動板の厚さを研磨等では困難な薄い範囲まで自在にコントロールし易く好ましい。又、ヤング率が低く、高耐熱性を有し、Ｓｉ基板と熱膨張係数が高い温度領域まで近く、陽極接合後に剥がれの発生しにくい結晶化ガラス基板も好ましい。
【００６６】
本発明における機能性を有する酸化物薄膜の作製方法にはスパッタリングを利用した様々な成膜方法を用いることができるが、特にマグネットの電子閉じ込め効果により低ガス圧までプラズマ維持が可能なため、ガス圧によるスパッタ粒子の平均自由工程のコントロール幅が広いＲＦマグネトロンスパッタが好ましい。
【００６７】
圧電特性を有する膜には、圧電性を有する様々な膜を用いることができるが、特にＰｂを含むペロブスカイト構造酸化物が望ましい。例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ 、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ 等がその代表例として挙げられる。特に、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３ （所謂ＰＺＴと表される）は圧電特性に優れ、材料として好ましい。又、最近注目を浴びているＰｂ（Ｚｎ，Ｎｂ）Ｏ３ −ＰｂＴｉＯ３ 固溶体（所謂ＰＺＮ−ＰＴと表される）やＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３ −ＰｂＴｉＯ３ 固溶体（所謂ＰＭＮ−ＰＴと表される）等もＰＺＴを大きく上回る非常に大きな圧電特性を有し、材料として好ましい。
【００６８】
圧電性を有する膜より大きな熱膨張係数を持つ膜には、熱膨張係数の大きな様々な膜を用いることができるが、特に熱膨張係数が１３．０×１０−６（／℃）のＭｇＯ、熱膨張係数が１１．５×１０−６（／℃）のＺｒＯ２ 、熱膨張係数が１６．８×１０−６（／℃）のＣｕ等は、その熱膨張係数が特に大きく、又、耐熱性にも優れ、材料として好ましい。
【００６９】
図８に沿って本発明における圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電膜素子を駆動源とするインクジェットヘッドの構造について簡単に説明する。
【００７０】
図８は本発明を最も良く表わす断面図であり、同図に示すように、流路を設けたＳｉ基板１１上に薄い振動板１２が形成されている。流路上に位置する振動板上に圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜１３が、（その熱膨張係数×ヤング率×厚さ−振動板の熱膨張係数×ヤング率×厚さ≧圧電性を有する膜の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）の関係を満たすように形成されている。更に、その上に、原子の拡散防止と電極を兼ねた貴金属の第１電極層１４が形成され、その上に第２層として圧電性を有する膜１５が形成される。その上に第２電極層１６が形成される。以下、具体例を示す。
【実施例１】
【００７１】
中空構造を持つＳｉ基板に設けられた熱酸化による振動板ＳｉＯ２ 上に、成膜方法としてＲＦスパッタリングを用いて圧電性を有するＰＺＴ膜を非加熱成膜し、後焼成してユニモルフ型圧電膜素子を作製した例を挙げる。
【００７２】
Ｓｉ（１００）基板上に熱酸化によって１μｍ厚のＳｉＯ２ 膜を形成した。これをＳｉＯ２ 面とは反対の面からエッチング技術を行って溝を形成し、中空構造のＳｉ基板上に振動板となるＳｉＯ２ が形成された構造とした。ＳｉＯ２ の熱膨張係数は０．２×１０−６（／℃）、ヤング率は７．２×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。この上に熱膨張係数の大きなＭｇＯをＲＦスパッタにて表示Ａｒガス圧＝０．１４Ｐａ、Ｏ２ 流量／Ａｒ流量＝５％で室温で厚さ１．０μｍ形成した。その後、７５０℃で後熱処理を行った。ＭｇＯ膜のＳｉＯ２ 上の焼成前後のＸ線回折図を図１２及び図１３に示す。
【００７３】
焼成前・後、共にＭｇＯ（１１１）に優先配向しているが、ＭｇＯ（２００）も見られ、多結晶の膜になっている。ＭｇＯの熱膨張係数は１３．０×１０−６（／℃）、ヤング率は２０．６×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。その後、熱膨張係数の大きなＭｇＯ側に密着層としてＴｉを厚さ４ｎｍ、更にその上に第１電極となるＰｔを厚さ１５０ｎｍをＲＦスパッタにて形成した。その上に基板ヒーターＯＦＦ、表示Ａｒガス圧０．２Ｐａ、ターゲット−基板間距離＝１６０ｍｍで、アモルファスのＰＺＴ層をＲＦスパッタにて１μｍ表面に形成した。このアモルファスのＰＺＴ層は通常ＭｇＯ基板上で４５０℃の後熱処理により図１４のように（００１）に優先配向の結晶化したＰＺＴ層となるが、熱膨張係数の小さなＳｉ基板上では４５０℃の後熱処理により結晶化後の冷却時に引っ張り応力が掛かり、図１５のように（１００）に優先配向したＰＺＴ膜となる。ＰＺＴの熱膨張係数はＭＰＢ組成近傍で９．０×１０−６（／℃）、ヤング率は８．０×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。
【００７４】
形成した膜を酸素雰囲気中で昇降温１℃／ｍｉｎ、７５０℃で５ｈｒアニールし、結晶化を行った。図６及び図７に結晶化温度から室温までの各層に働く収縮の力関係と形状変化を示す。
【００７５】
結晶化温度から冷却過程が進むに連れて、図６のように振動板１２の熱収縮は非常に小さく他の層に対して引っ張りに働く。熱膨張係数の大きなＭｇＯ層１３は引張りをキャンセルして圧縮方向に働こうとする。（ＭｇＯの熱膨張係数×ヤング率×厚さ）−（振動板ＳｉＯ２ の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）≧（ＰＺＴの熱膨張係数×ヤング率×厚さ）の関係を満たしており、且つ、（ＭｇＯの熱膨張係数）＞（ＰＺＴの熱膨張係数）の関係にあるため、結晶化温度から室温までの温度領域でＰＺＴに対して圧縮の力が働く。
【００７６】
更に、振動板となるＳｉＯ２ が１μｍと薄く、冷却過程のＭｇＯ層の大きな収縮に対して中空部分に対向する振動板が図７のように圧力室側に大きく変形して圧縮の応力が失われない。この結果、ＰＺＴが焼成温度から室温まで冷却される際に圧縮の応力が加わり、ＰＺＴの分極軸方向（Ｃ軸）が膜面に垂直方向に優先配向し、（００１）の優先配向となった。
【００７７】
又、ＳｉＯ２
はＳｉ基板上に熱酸化で設けられており、７５０℃で焼成しても問題は発生しなかった。その後、結晶化したＰＺＴ表面に第２電極となるＰｔをＲＦスパッタにより形成した。ＰＺＴ上の第１電極ＰｔをＳｉ上の溝に合わせてドライエッチングにてパターニングを行った。更に、Ｐｔのパターンに沿ってウェットエッチングによりＰＺＴをエッチングした。このＰＺＴの電気的特性を測定したところ、電界強度と電束密度の関係であるＰ−Ｅカーブにおいて良好な角型比と高い飽和電束密度を示し、良好なヒステリシス特性を示した。又、このようにして作製したユニモルフ型圧電膜素子を図１１のような矩形波を印加してレーザードップラー変位計による測定を行ったところ、ユニモルフ型圧電膜素子として十分な変位を確認できた。
【実施例２】
【００７８】
予め流路を設けたＳｉ基板上に振動板となる熱酸化膜を転写し、振動板上に熱膨張係数の非常に大きいＭｇＯを成膜し、更にその上に成膜方法としてＲＦスパッタリングを用いて、圧電性を有するＰＺＴ膜を非加熱成膜・後焼成し、ユニモルフ型圧電膜素子を駆動源とするインクジェットヘッドを作製した例を挙げる。
【００７９】
Ｓｉ（１００）基板上にＩＣＰドライエッチング技術を用いてインク流路となる溝を形成した。図９はノズル方向から見た完成形のインクジェットヘッド断面図である。図１０にインクジェットヘッドの上視図を示す。
【００８０】
インク供給室、連絡ノズル、圧力室、吐出ノズルが形成されており、インク供給室の一部は貫通している。その後、熱酸化膜１μｍが形成されたＳｉ基板を後述の溝が形成されたＳｉ基板上に固相接合を用いて貼り付け、熱酸化膜が形成されたＳｉ基板を裏面からウェットエッチングすることによって熱酸化膜ＳｉＯ２ ＝１μｍの振動板を形成した。
【００８１】
ＳｉＯ２
の熱膨張係数は０．２×１０−６（／℃）、ヤング率は７．２×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。この上に熱膨張係数の大きなＭｇＯをＲＦスパッタにて表示Ａｒガス圧＝０．１４Ｐａ、Ｏ２ 流量／Ａｒ流量＝５％で室温で厚さ１．０μｍ形成した。その後、７５０℃で後熱処理を行った。ＭｇＯ膜のＳｉＯ２ 上の焼成前後のＸ線回折図を図１３及び図１４に示す。
【００８２】
焼成前・後、共にＭｇＯ（１１１）に優先配向しているが、ＭｇＯ（２００）も見られ、多結晶の膜になっている。ＭｇＯの熱膨張係数は１３．０×１０−６（／℃）、ヤング率は２０．６×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。その後、熱膨張係数の大きなＭｇＯ側に密着層としてＴｉを厚さ４ｎｍ、更にその上に第１電極となるＰｔを厚さ１５０ｎｍをＲＦスパッタにて形成した。その上に基板ヒーターＯＦＦ、表示Ａｒガス圧０．２Ｐａ、ターゲット−基板間距離＝１６０ｍｍで、アモルファスのＰＺＴ層をＲＦスパッタにて１μｍ表面に形成した。このアモルファスのＰＺＴ層は通常ＭｇＯ基板上で７５０℃の後熱処理により図のように（００１）に優先配向の結晶化したＰＺＴ層となるが、熱膨張係数の小さなＳｉ基板上では７５０℃の後熱処理により結晶化後の冷却時に引っ張り応力が掛かり、図のように（１００）に優先配向したＰＺＴ膜となる。ＰＺＴの熱膨張係数はＭＰＢ組成近傍で９．０×１０−６（／℃）、ヤング率は８．０×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。
【００８３】
形成した膜を酸素雰囲気中で昇降温１℃／ｍｉｎ、７５０℃で５ｈｒアニールし、結晶化を行った。図９に結晶化温度から室温までの各層の熱収縮の関係を示す。振動板１２の熱収縮は非常に小さく、他の層に対して引っ張りに働く。熱膨張係数の大きなＭｇＯ層１３は引張りをキャンセルして圧縮方向に働こうとする。（ＭｇＯの熱膨張係数×ヤング率×厚さ）−（振動板ＳｉＯ２ の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）≧（ＰＺＴの熱膨張係数×ヤング率×厚さ）の関係を満たしており、且つ、（ＭｇＯの熱膨張係数）＞（ＰＺＴの熱膨張係数）の関係にあるため、結晶化温度から室温までの温度領域でＰＺＴに対して圧縮の力が働く。
【００８４】
更に、振動板となるＳｉＯ２ が１μｍと薄いため、冷却過程のＭｇＯ層の大きな収縮に対して中空部分に対向する振動板が図７のように圧力室側に大きく変形して圧縮の応力が失われない。この結果、ＰＺＴが焼成温度から室温まで冷却される際に圧縮の応力が加わり、ＰＺＴの分極軸方向（Ｃ軸）が膜面に垂直方向に優先配向し、（００１）が優先配向となった。
【００８５】
又、ＳｉＯ２
はＳｉ基板上に固相接合で接合されており、７５０℃で焼成しても問題は発生しなかった。その後、結晶化したＰＺＴ表面に第２電極となるＰｔをＲＦスパッタにより形成した。ＰＺＴ上の第１電極ＰｔをＳｉ上の溝に合わせてドライエッチングにてパターニングを行った。更に、Ｐｔのパターンに沿ってウェットエッチングによりＰＺＴをエッチングした。このＰＺＴの電気的特性を測定したところ、電界強度と電束密度の関係であるＰ−Ｅカーブにおいて良好な角型比と高い飽和電束密度を示し、良好なヒステリシス特性を示した。又、このようにして作製したユニモルフ型圧電膜素子を図１１のような矩形波を印可してレーザードップラー変位計による測定を行ったところ、ユニモルフ型圧電膜素子として十分な変位を確認できた。
【００８６】
本実施例では圧電性を有する膜の上下に電極を設けた圧電素子の片方の面に、振動版が貼り付けられたユニモルフ型の圧電膜素子が形成されている。予めＳｉ基板上に様々な加工を施すことにより、ユニモルフ型の圧電膜素子を用いた様々なデバイスが作製可能である。本実施例においては、Ｓｉ基板に溝を形成することにより、ユニモルフ型の圧電膜素子を利用したインクジェットヘッドを形成している。
【００８７】
このように作製したインク吐出用のインクジェットヘッドを用いて吐出確認を行った。このインクジェットヘッドにＩＰＡを充填して図１１のような駆動波形によって駆動したところ、液滴の吐出を確認することができた。
【実施例３】
【００８８】
成膜方法としてRFスパッタリングを用いて、予め流路を設けたSi基板上に陽極接合した振動板となる結晶化ガラス上に熱膨張係数の非常に大きいＭｇＯを成膜し、更にその上に圧電性を有するＰＺＴ膜を非加熱成膜・後焼成し、ユニモルフ型圧電膜素子を駆動源とするインクジェットヘッドを作製した例を挙げる。
【００８９】
Ｓｉ（１００）基板上にＩＣＰドライエッチング技術を用いて実施例２と同様にインク流路となる溝を形成した。その後、振動板として３０μｍ厚の結晶化ガラスを後述の溝が形成されたＳｉ基板上に陽極接合を用いて貼り付け、結晶化ガラスを研磨にて３μｍまで薄片化した。結晶化ガラスの熱膨張係数は３．２×１０−６（／℃）、ヤング率は８．９×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。研磨によって薄片化した結晶化ガラス上に熱膨張係数の大きなＭｇＯをＲＦスパッタにて表示Ａｒガス圧＝０．１４Ｐａ、Ｏ２ 流量／Ａｒ流量＝５％で室温で厚さ１．０μｍ形成した。
【００９０】
ＭｇＯの熱膨張係数は１３．０×１０−６（／℃）、ヤング率は２０．６×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。その後、熱膨張係数の大きなＭｇＯ側に密着層としてＴｉを厚さ４ｎｍ、更にその上に第１電極となるＰｔを厚さ１５０ｎｍをＲＦスパッタにて形成した。その上に基板ヒーターＯＦＦ、表示Ａｒガス圧０．２Ｐａ、ターゲット−基板間距離＝１６０ｍｍで、アモルファスのＰＺＴ層をＲＦスパッタにて１μｍ表面に形成した。このアモルファスのＰＺＴ層は通常ＭｇＯ基板上で７５０℃の後熱処理により図１４のように（００１）に優先配向の結晶化したＰＺＴ層となるが、熱膨張係数の小さなＳｉ基板上では７５０℃の後熱処理により結晶化後の冷却時に引っ張り応力が掛かり、図１５のように（１００）に優先配向したＰＺＴ膜となる。ＰＺＴの熱膨張係数はＭＰＢ組成近傍で９．０×１０−６（／℃）、ヤング率は８．０×１０１０（Ｎ／ｍ２ ）である。
【００９１】
形成した膜を酸素雰囲気中で昇降温１℃／ｍｉｎ、７５０℃で５ｈｒアニールし、結晶化を行った。図９に結晶化温度から室温までの各層の熱収縮の関係を示す。振動板１２の熱収縮は非常に小さく、他の層に対して引っ張りに働く。熱膨張係数の大きなＭｇＯ層１３は引張りをキャンセルして圧縮方向に働こうとする。（ＭｇＯの熱膨張係数×ヤング率×厚さ）−（振動板となる結晶化ガラスの熱膨張係数×ヤング率×厚さ）≧（ＰＺＴの熱膨張係数×ヤング率×厚さ）の関係を満たしており、且つ、（ＭｇＯの熱膨張係数）＞（ＰＺＴの熱膨張係数）の関係にあるため、結晶化温度から室温までの温度領域でＰＺＴに対して圧縮の力が働き、更に振動板となる結晶化ガラスが３μｍと薄いため、冷却過程のＭｇＯ層の大きな収縮に対して中空部分に対向する振動板が図７のように圧力室側に大きく変形して圧縮の応力が失われない。この結果、ＰＺＴが焼成温度から室温まで冷却される際に圧縮の応力が加わり、ＰＺＴの分極軸方向（Ｃ軸）が膜面に垂直方向に優先配向し、（００１）が優先配向となった。又、結晶化ガラスは歪み点が約１０００℃であり、７５０℃で焼成しても問題は発生しなかった。又、Ｓｉ基板と結晶化ガラスの熱膨張係数は高温まで非常に近く、焼成によっても剥離等の問題は全く発生しなかった。
【００９２】
その後、結晶化したＰＺＴ表面に第２電極となるＰｔをＲＦスパッタにより形成したＰＺＴ上の第１電極ＰｔをＳｉ上の溝に合わせてドライエッチングにてパターニングを行った。更に、Ｐｔのパターンに沿ってウェットエッチングによりＰＺＴをエッチングした。このＰＺＴの電気的特性を測定したところ、電界強度と電束密度の関係であるＰ−Ｅカーブにおいて良好な角型比と高い飽和電束密度を示し、良好なヒステリシス特性を示した。更に、作製したユニモルフ型圧電膜素子を図１１のような矩形波を印加してレーザードップラー変位計による測定を行ったところ、ユニモルフ型圧電膜素子として十分な変位を確認できた。
【００９３】
本実施例では、圧電性を有する膜の上下に電極を設けた圧電素子の片方の面に、振動版が貼り付けられたユニモルフ型の圧電膜素子が形成されている。予めＳｉ基板上に様々な加工を施すことにより、ユニモルフ型の圧電膜素子を用いた様々なデバイスが作製可能である。本実施例においてはＳｉ基板に溝を形成することにより、ユニモルフ型の圧電膜素子を利用したインクジェットヘッドを形成している。
【００９４】
このように作製したインク吐出用のインクジェットヘッドを用いて吐出確認を行った。このインクジェットヘッドにＩＰＡを充填して図１１のような駆動波形によって駆動したところ、液滴の吐出を確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明によれば、予め加工を施したSi基板上に薄い振動板を接合し、その上に第１層として圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜を、（圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）−（振動板の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）≧（圧電性を有する膜の熱膨張係数×ヤング率×厚さ）となるように形成し、その上に第２層として貴金属等の電極層を設け、更にその上に第３層として圧電性を有する膜をスパッタリング法を用いて（ターゲットから叩き出される各金属原子の平均自由工程）≧（ターゲット−基板間距離）を満たすように加熱結晶化しながら成膜若しくは非加熱成膜して後焼成により結晶化させることにより、圧電性を有する膜に降温時に圧縮応力を加える構成にし、圧電性を有する膜をその圧電性を最も効果的に発揮する分極軸方向（Ｃ軸）が膜面に垂直に５０％程度以上配向した（００１）優先配向状態になるように、振動板上へ直接形成することが可能になった。
【００９６】
圧電性を有する膜の上に第３層として貴金属等の電極層を形成し、圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電膜素子を駆動源とするインクジェットヘッド等のデバイスを作製することができるが、Ｓｉ基板上にインク流路やインク供給口等の加工を施した後に振動板を接合等により形成し、その上に圧電性を有する膜をその圧電性を劣化させることなく、更には圧電性をより効率良く発揮するように直接成膜することが可能になるため、従来より高精細で非常に高品位なインクジェットヘッドを歩留まり良く生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の作用及び実施例の説明に適用される無配向ＰＺＴのＸ線回折パターンを示す図である。
【図２】本発明の作用の説明に適用される十分に厚い基板の熱膨張係数とその上に形成されたＰＺＴ（１１２）（２１１）混合ピークのＸ線回折による面間隔の関係を示す図である。
【図３】本発明の作用の説明に適用される熱膨張係数の小さな基板上に形成された圧電性を有する膜の圧電性劣化のモデル図である。
【図４】本発明の作用の説明に適用される、ＰＺＴに圧縮の力が働くＭｇＯ基板上の電気的特性＝電界と電束密度の関係を示す図である。
【図５】本発明の作用の説明に適用される、ＰＺＴに引っ張りの力が働くＳｉ基板上の電気的特性＝電界と電束密度の関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例の説明に適用される、圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電膜素子の断面図である。
【図７】本発明の実施例の説明に適用される、圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電膜素子の結晶化温度からの冷却の際の形状変化を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例の説明に適用される、圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電素子を駆動源とするインクジェットヘッドの断面図である。
【図９】本発明の実施例の説明に適用される、圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電素子を駆動源とするインクジェットヘッドのノズル方向から見た断面図である。
【図１０】本発明の比較例の説明に適用される、圧電性を有する膜を用いたユニモルフ型圧電素子を駆動源とするインクジェットヘッドの上視図である。
【図１１】本発明の実施例の説明に適用される圧電素子の評価に用いた駆動波形を示す図である。
【図１２】本発明の実施例の説明に適用されるＭｇＯ膜の焼成前Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図１３】本発明の実施例の説明に適用されるＭｇＯ膜の焼成後Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図１４】本発明の実施例の説明に適用される、ＭｇＯ基板上に成膜された優先配向ＰＺＴ膜の焼成後Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図１５】本発明の実施例の説明に適用される、Ｓｉ基板上に成膜された優先配向ＰＺＴ膜の焼成後Ｘ線回折パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０    圧電膜素子の基台となるＳｉ基板
１１    インクジェット用の溝の形成されたＳｉ基板
１２    振動版
１３    圧電性を有する膜より熱膨張係数の大きな膜
１４    第１電極
１５    圧電性を有する膜  
１６    第２電極
１７    インク吐出用の溝
２１    Ｓｉ基板及び陽極接合された振動板
２２    インク供給室貫通孔
２３    インク供給室
２４    連絡ノズル
２５    圧力室及びその上のユニモルフ型圧電素子
２６    吐出ノズル
２７    吐出された液滴
【図１】
2005129670.tif 000007
【図２】
2005129670.tif 000008
【図３】
2005129670.tif 000009
【図４】
2005129670.tif 000010
【図５】
2005129670.tif 000011
【図６】
2005129670.tif 000012
【図７】
2005129670.tif 000013
【図８】
2005129670.tif 000014
【図９】
2005129670.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
2005129670.tif 000017
【図１２】
2005129670.tif 000018
【図１３】
2005129670.tif 000019
【図１４】
2005129670.tif 000020
【図１５】
2005129670.tif 000021